CN221099622U - 基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，该系统包括三维激光扫描仪、智能云台、工控机以及岸端服务器，工控机设置在吹砂船上，吹砂船上安装有龙门架，龙门架上安装若干智能云台，三维激光扫描仪搭载在智能云台上，工控机与智能云台和三维激光扫描仪通信连接，智能云台带动三维激光扫描仪转动或摆动；三维激光扫描仪在吹砂作业时，对位于龙门架下方的运砂船进行扫描，分别采集运砂船载砂时和空载时的三维点云数据；工控机通过无线通信模块与岸端服务器远程无线通信连接。本实用新型通过吹砂船上的三维激光扫描仪对运砂船进行扫描，降低测量人工成本，并可与岸端服务器远程通信，实现远程无接触式计量运砂船量方。

Description

基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统

技术领域

本实用新型涉及工程测量技术领域，特别是涉及一种基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统。

背景技术

在围海造地项目中，砂石料是主要建筑材料，是施工成本的主要组成部分，因此，对砂石料能否准确计量直接影响项目的盈亏，而传统的人工计量受计量仪器、人为因素、计算手段的影响，误差比较大。如何对运砂船进行准确的方量量测是亟待解决的难题。

随着科技的快速发展，这些年自动化3D激光扫描计量方案得到了推广应用：（1），通过无人机实时相位差分技术（RTK），能够帮助土方工程领域快速采集原始地形信息，输出高质量的原地面点云数据，通过对点云数据处理加工，可以导入到相关软件中，进行场地平整，路基开挖及填筑土方量的快速计算，外业工作量少，内业自动化程度高，成果可靠并且具有可视化效果；但无人机测量技术主要用于陆地作业，水上作业存在不能在海面降落停留、待机时间短、水上气象多变、作业范围小、作业效率低的缺点；（2），采用雷达数学模拟建模+二维激光、三维激光扫描相融合的方式，在堆取料机悬臂安装高频雷达和2D、3D激光扫描仪，只需堆取料机沿着垛位“看”一圈，即可完成堆料高度、垛形等信息采集，形成货垛三维建模，以此自动生成最优堆取料策略，无人驾驶的堆取料机接收到后台指令后，自动对位到指定货垛，10秒钟时间内，该货垛的堆存信息自动扫描完成并实时建模，为下一步的货物堆取作业提供数据支撑，但是堆场占地面积大，对于扫描精度有更高要求，同时需要硬件设备数量也多，投入成本较大，同时由于数据来源多套设备，需要专业软件后期完成大量匹配和拼接，容易造成严重的重影现象和信息偏差。

目前国内在采矿业、运输业、房地产等行业都已开始应用云台量测计量技术，但由于疏浚行业船舶受风浪流影响晃动比较大和船岸通讯不稳定等因素，导致水上作业船舶还未实现远程无接触式计量运砂船量方的成熟方案。因此，需要进一步进行技术改进，提供一种适用于水上作业的运砂船方量计量方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，结构简单，使用方便，通过吹砂船上安装三维激光扫描仪对运砂船进行扫描，减少测量人员实地测量工作，降低测量人工成本，并可与岸端服务器远程通信，实现远程无接触式计量运砂船量方。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，包括：三维激光扫描仪、智能云台、工控机以及岸端服务器，所述工控机设置在吹砂船上，所述吹砂船上安装有龙门架，所述龙门架上安装有若干所述智能云台，所述三维激光扫描仪搭载在所述智能云台上，所述工控机与所述智能云台和三维激光扫描仪通信连接，所述智能云台用于带动所述三维激光扫描仪转动或摆动；所述三维激光扫描仪用于在吹砂作业时，对位于所述龙门架下方的运砂船进行扫描，分别采集运砂船载砂时和空载时的三维点云数据；

所述工控机通过无线通信模块与所述岸端服务器远程无线通信连接。

进一步地，所述无线通信模块包括两个无线AP设备，分别为第一无线AP设备和第二无线AP设备，所述第一无线AP设备与所述第二无线AP设备之间无线通信连接；所述第一无线AP设备设置在所述吹砂船上，并与所述工控机连接，所述第二无线AP设备设置在岸端，并与所述岸端服务器连接。

进一步地，所述系统还包括工业交换机和网络交换机，所述工业交换机设置在所述吹砂船上，所述智能云台和三维激光扫描仪通过一根网线与所述工业交换机连接，所述工业交换机与所述工控机连接；所述网络交换机设置在岸端，所述岸端服务器与所述第二无线AP设备之间设置所述网络交换机。

进一步地，所述网线为防屏蔽网线。

进一步地，所述吹砂船和所述岸端均设置UPS电源，所述三维激光扫描仪、智能云台、工业交换机、工控机均与所述吹砂船上的UPS电源连接；所述岸端服务器、网络交换机均与所述岸端的UPS电源连接。

进一步地，所述运砂船上设置有用于标记起算基准面的若干个定位球，所述定位球包括用于将其吸附固定于运砂船上的磁性基座。

进一步地，所述智能云台包括安装支架、驱动电机、云台底座，所述安装支架固定安装在所述龙门架的顶部横梁上，所述驱动电机安装在所述安装支架上，所述云台底座与所述驱动电机驱动连接，所述三维激光扫描仪安装在所述云台底座上。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，测量人员可以在岸端通过岸端服务器远程操控各吹砂船上的三维激光扫描仪进行扫描，扫描结果可在吹砂船上的工控机计算，也可以传输岸端服务器进行计算，这样减少测量人员，也降低测量人员到各运砂船实地扫描的成本支出，实现远程无接触式计量运砂船量方；并且，测量人员不需要上运砂船实地测量，大大降低了施工危险，并且不受天气因素影响，确保测量工作的持续稳定进行；此外，智能云台搭载三维激光扫描仪，与三维激光扫描仪共用一根网线，通过一根网线控制智能云台，同时接收扫描数据，简化布线，通过控制智能云台的转动角度，可以实现多方位多角度的扫描，提升扫描效率；不同吹砂船上的三维激光扫描仪扫描结果传输到一个岸端服务器，方便进行集中远程控制，集中管理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统的框架结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型的目的是提供一种基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，结构简单，使用方便，通过吹砂船上的三维激光扫描仪对运砂船进行扫描，降低测量人员人工成本，并可与岸端服务器远程通信，实现远程无接触式计量运砂船量方。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提供的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，包括：三维激光扫描仪、智能云台、工控机以及岸端服务器，所述工控机设置在吹砂船上，所述吹砂船上安装有龙门架，所述龙门架上安装有若干所述智能云台，所述三维激光扫描仪搭载在所述智能云台上，所述工控机与所述智能云台和三维激光扫描仪通信连接，所述智能云台用于带动所述三维激光扫描仪转动或摆动；所述三维激光扫描仪用于在吹砂作业时，对位于所述龙门架下方的运砂船进行扫描，分别采集运砂船载砂时和空载时的三维点云数据；

所述工控机通过无线通信模块与所述岸端服务器远程无线通信连接。

所述无线通信模块包括两个无线AP设备，分别为第一无线AP设备和第二无线AP设备，所述第一无线AP设备与所述第二无线AP设备之间无线通信连接；所述第一无线AP设备设置在所述吹砂船上，并与所述工控机连接，所述第二无线AP设备设置在岸端，并与所述岸端服务器连接。所述系统还包括工业交换机和网络交换机，所述工业交换机设置在所述吹砂船上，所述智能云台和三维激光扫描仪通过一根网线与所述工业交换机连接，所述工业交换机与所述工控机连接；所述网络交换机设置在岸端，所述岸端服务器与所述第二无线AP设备之间设置所述网络交换机。其中，所述网线为防屏蔽网线。

在具体实施例中，可以安装4G无线路由，实现船端与岸端的无线通信。同时研发数据压缩技术，将三维激光扫描仪扫描得到的点云数据进行大幅压缩，并自动发送到岸端。最终实现岸端电脑可以远程操控船端三维激光扫描仪工作。

本实用新型提供的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统的设计方案，充分考虑了三维激光扫描仪的安装位置，最早的安装方案考虑在运砂船安装，但是运砂船高度不够，需要在船仓顶部安装较高支架，不利于运砂船装卸货。后又考虑在海吊船安装三维激光扫描仪，但海吊船一样需要安装较高支架，而且安装支架后，船上吊机无法旋转进行吊装作业。最终决定在吹砂船安装，因为吹砂船有现成的龙门架，龙门架外伸，上面安装三维激光扫描仪，有比较好的扫描视野。

示例地，本实用新型采用两个智能云台，也就是安装两台三维激光扫描仪，两台三维激光扫描仪都装在远离船端位置，需要铺设防屏蔽网线和防水电缆，所述吹砂船和所述岸端均设置UPS电源，所述三维激光扫描仪、智能云台、工业交换机、工控机均与所述吹砂船上的UPS电源连接；所述岸端服务器、网络交换机均与所述岸端的UPS电源连接。通过UPS电源的设置，保证在船舶施工作业断电时，不影响岸端服务器和三维激光扫描仪的持续稳定工作。

进一步地，所述运砂船上设置有用于标记起算基准面的若干个定位球，所述定位球包括用于将其吸附固定于运砂船上的磁性基座。示例地，所述定位球可以设置四个或三个，述四个定位球呈矩形分布，而且其中两个定位球布置在运砂船船舱的长度一端、且分布于运砂船船舱的宽度两侧，另外两个所述定位球布置在运砂船船舱的长度另一端、且分布于运砂船船舱的宽度两侧，如此使得这四个定位球所标定的起算基准面与船舱的舱口平面基本重合，计算更为准确。当然，也可以仅在船舱四周固定放置三个定位球，这三个定位球同样能够标定出起算基准面。

进一步地，所述智能云台包括安装支架、驱动电机、云台底座，所述安装支架固定安装在所述龙门架的顶部横梁上，所述驱动电机安装在所述安装支架上，所述云台底座与所述驱动电机驱动连接，所述三维激光扫描仪安装在所述云台底座上。示例地，所述安装支架为U型支架，所述U型支架倒置安装在所述龙门架上，所述云台底座可转动安装在U型支架的两个侧壁之间。

智能云台的安装位置可根据现场实际情况选择不同的安装方式：

1）摆动扫描：点云分布均匀，扫描范围灵活，激光入射角度一致，精度高，适合小范围、安装高度较高的场合，可考虑安装于吹砂船顶部横梁。

2）转动扫描：扫描范围更大，小角度扫描范围更远，适合大范围、安装高度较低的场合，可考虑安装于运砂船船舱侧壁顶部。

本实用新型优选实施例为将智能云台以及三维激光扫描仪安装在吹砂船龙门架的顶部横梁上。对与吹砂船并行的满载的运砂船进行全自动化测量，通过点云处理软件进行点云的变换、分割、空洞填充、体积计算、报告生成等，并把扫描到的三维点云数据和模型通过网络传输到岸端服务器方便网页展示。等吹砂船对运砂船进行吹砂作业完成后，再次扫描，之后通过该两次扫描结果推算出当前的装砂量。另外，实时的测量值也能长期保存下来，给后续的大数据分析提供详实的数据支撑。

其他实施例中，还可以在龙门架上安装摄像头，用于辅助观察运砂船吹砂作业情况。

此外，由于吹砂船自身没有铺设网络设备，所以与岸端通信需要给网络交换机插入流浪卡，以保证船舶局域网联入互联网，也会远程操控三维激光扫描仪提供基础网络条件。

本实用新型还提供一种基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量方法，应用于上述的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，包括：

S1，吹砂作业时，运砂船靠近吹砂船，并位于吹砂船的龙门架下方；

S2，智能云台带动三维激光扫描仪转动或摆动，对位于龙门架下方的运砂船进行扫描，采集运砂船载砂时三维点云数据；具体地，满载的运砂船进行全自动化测量，通过点云处理软件进行点云的变换、分割、空洞填充、体积计算、报告生成等，并把扫描到的三维点云数据和三维点云模型通过网络传输到工控机以及岸端服务器端方便网页展示；

S3，吹砂作业完成后，智能云台带动三维激光扫描仪转动或摆动，对位于龙门架下方的运砂船再次进行扫描，采集运砂船空载时的三维点云数据；具体地，在运砂船的空仓时进行三维扫描，通过智能云台实时角度控制，生成高密度点云，精度达厘米级，通过采集三维点云数据进行三维建模，形成船舱三维模型；

S4，基于运砂船载砂时和空载时的三维点云数据，通过点云计算软件计算得出运砂船当次的载砂体积。

其中，所述S2和S3中，关于扫描过程中，船舶晃动可能会导致误差的问题，通过以下技术手段规避：

当吹砂船和运砂船平行作业的时候，两船由于海浪晃动，晃动频率接近，这样两船相对位置接近静止，对扫描结果影响较小；

尽量缩短三维激光扫描仪的扫描时间，控制在3-7秒，最长不超过7秒，短时间的扫描，对于两船位置变动也比较小；

前期建模验证，如果因为船舶质量差异导致晃动频率差异较大，还可以通过算法补偿来弥补这部分的扫描误差。

从运砂船满舱进场作业的时候，三维激光扫描仪扫描一遍，作业完成之后，再扫描一遍，每次扫描耗时3-7秒，两次分别建模后，通过软件计算得出砂石方量，交由相关人员进行确认，总耗时控制在5-15分钟，时间可控。

具体地，所述步骤S4中，基于运砂船载砂时和空载时的三维点云数据，通过点云计算软件计算得出运砂船当次的载砂体积，具体包括：

基于运砂船空载时的三维点云数据，通过点云计算软件计算得出船底到起算基准面的体积V₁；

基于运砂船载砂时三维点云数据，通过点云计算软件计算得出砂上表面到起算基准面的体积，其中，砂上表面低于起算基准面部分的体积为V₂，砂上表面高于起算基准面部分的体积为V₃；

计算运砂船当次的载砂体积V＝V₁+V₃-V₂。

此外，为了防止计量结果被人为篡改，将计量结果使用特定的区块链相关技术进行加密和分布式存储。在展示计量结果时，可以通过公布的公钥进行解密来验证该计量结果的正确性。

本实用新型中，三维激光扫描仪通过智能云台控制，用户可以在吹砂船上的工作站通过工控机直接操作点云计算软件对运砂船船舱进行扫描计量，得出砂石方量。

点云计算软件也将通过相应接口接入现有智慧工地平台，通过智慧工地平台中新增无人量方的功能模块，即可实现远程控制吹砂船的三维激光扫描仪，得出砂石方量结果之前远程推送给智慧工地平台的相关页面进行展现。

另外，点云处理软件自带数据可视化功能，可以多次测量取平均值的方式来减少误差。

示例地，所述点云计算软件可以选用Lidar360点云计算软件。

目前，运砂船量方大部分使用人员携背包激光量方的方式进行运作，与之相比，本实用新型有以下优点：

1、降本增效，本实用新型只需要测量人员在项目部通过一台服务器，远程操控各吹砂船进行扫描，同时实现在岸端控制多艘吹砂船进行远程作业，扫描结果可在岸端自动汇总，扫描结果可在吹砂船的工控机计算，也可以传输回岸端服务器进行计算，这样减少测量人员，也降低测量人员到各运砂船实地扫描的成本支出。

2、安全，原有测量方式在空仓扫描时，测量人员需携带激光设备围绕船仓扫描，在空仓情况下，船仓深度接近10米，对人员设备的生命财产安全造成严重威胁；而本实用新型完全规避了安全问题，测量人员不需要上船，大大降低了施工危险。

3、可靠，原测量方式受天气影响较大，比如大风大雨天气，海面浪大无法登上运砂船扫描，只能粗略评估，导致砂石发量估算误差较大。而本实用新型防水防尘，不管雨天雾天，都可以正常扫描，几乎不影响扫描数据，也间接保证了计算砂石放量的可靠性。

综上，本实用新型基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，基于高精度高性价比的单线、多线激光雷达，通过智能云台实时角度控制，生成高密度点云，精度达厘米级，可用于三维建模、船舱体积的检测，也可以用智能仓储的无人化作业。智能云台旋转扫描范围、扫描速度，可以任意设置，并且云台具有交换机功能，与三维激光扫描仪共用一根网线，通过一根网线控制云台，同时接收三维激光扫描仪数据，简化布线。三维激光扫描仪传输采用网口通讯，可以适应远距离控制和数据传输，通过网络（或者无线网）传输将实时数据传输给监控或者总控中心（岸端服务器）。可以多达几十，甚至上百个三维激光扫描仪安装点点，共用一个服务器，方便进行集中远程控制，集中管理。

本实用新型通过三维激光扫描数据，建立运砂船船舱以及装砂平面的三维模型，从而计算出实时砂石方量，可以解决现有技术人工计量存在的测量及计算时间长、临边高空作业安全隐患大等问题。

本实用新型实施例最后还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例中的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型权利要求所限定的范围。

上文对本实用新型进行了足够详细的具有一定特殊性的描述。所属领域内的普通技术人员应该理解，实施例中的描述仅仅是示例性的，在不偏离本实用新型的真实精神和范围的前提下做出所有改变都应该属于本实用新型的保护范围。本实用新型所要求保护的范围是由所述的权利要求书进行限定的，而不是由实施例中的上述描述来限定的。

Claims (7)

1.一种基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，其特征在于，包括：三维激光扫描仪、智能云台、工控机以及岸端服务器，所述工控机设置在吹砂船上，所述吹砂船上安装有龙门架，所述龙门架上安装有若干所述智能云台，所述三维激光扫描仪搭载在所述智能云台上，所述工控机与所述智能云台和三维激光扫描仪通信连接，所述智能云台用于带动所述三维激光扫描仪转动或摆动；所述三维激光扫描仪用于在吹砂作业时，对位于所述龙门架下方的运砂船进行扫描，分别采集运砂船载砂时和空载时的三维点云数据；

所述工控机通过无线通信模块与所述岸端服务器远程无线通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，其特征在于，所述无线通信模块包括两个无线AP设备，分别为第一无线AP设备和第二无线AP设备，所述第一无线AP设备与所述第二无线AP设备之间无线通信连接；所述第一无线AP设备设置在所述吹砂船上，并与所述工控机连接，所述第二无线AP设备设置在岸端，并与所述岸端服务器连接。

3.根据权利要求2所述的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，其特征在于，所述系统还包括工业交换机和网络交换机，所述工业交换机设置在所述吹砂船上，所述智能云台和三维激光扫描仪通过一根网线与所述工业交换机连接，所述工业交换机与所述工控机连接；所述网络交换机设置在岸端，所述岸端服务器与所述第二无线AP设备之间设置所述网络交换机。

4.根据权利要求3所述的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，其特征在于，所述网线为防屏蔽网线。

5.根据权利要求3所述的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，其特征在于，所述吹砂船和所述岸端均设置UPS电源，所述三维激光扫描仪、智能云台、工业交换机、工控机均与所述吹砂船上的UPS电源连接；所述岸端服务器、网络交换机均与所述岸端的UPS电源连接。

6.根据权利要求1所述的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，其特征在于，所述运砂船上设置有用于标记起算基准面的若干个定位球，所述定位球包括用于将其吸附固定于运砂船上的磁性基座。

7.根据权利要求1所述的基于三维激光及智能远控的运砂船方量计量系统，其特征在于，所述智能云台包括安装支架、驱动电机、云台底座，所述安装支架固定安装在所述龙门架的顶部横梁上，所述驱动电机安装在所述安装支架上，所述云台底座与所述驱动电机驱动连接，所述三维激光扫描仪安装在所述云台底座上。